Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Чтобы определить коэффициент усиления в петле обратной связи, воспользуемся описанной ранее схемой измерения, включив ее в разрыв, отмеченный на рис. 8.7. Таким образом, узел, соответствующий точке разрыва, превратится в два узла. Эти узлы станут узлами с плавающим потенциалом, если не показать их в подсхеме. Поэтому генератор повторно изображен на рис. 8.8, где имеется два узла разрыва: i для входа и o для выхода. Рисунок отражает также обозначения других узлов, необходимых при подготовке входного файла для PSpice. Удобно поместить ОУ в подсхему, как мы уже делали в других примерах. Упрощенная модель ОУ будет иметь такую подсхему:

.subckt iop m р vo; m инвертирующий вход, р неинвертирующий вход

rin m р 1Е6

е vo 0

р m 2Е5

.ends

Рис. 8.8. Генератор со сдвигом фаз с разомкнутой цепью обратной связи

Следующая часть входного файла вводит схему, показанную на рис. 8.8, показывая точки разрыва, которые позволят вставить измерительную схему. ОУ вызывается из подсхемы командой X. Эта часть входного файла:

.subckt re i о; i и о - точки разрыва схемы

х 2 1 3 iop; команда вызова ОУ

vi 1 0 1V

rf 3 2 39.58k

r1 1 2 1.3k

r2 5 0 1.3k

r3 4 0 1.3k

c1 1 5 0.5uF

c2 5 4 0.5uF

c3 4 3 0.5uF

.ends

Последняя часть входного файла показывает ссылку на подсхему генератора rc и содержит также команды, необходимые, чтобы выполнить измерения в цепи обратной связи. Эта часть содержит команды:

* loop-gain test statements

X TVi TVo re

V TVo TVi AC 1

EVi Vi 0 0 TVi 1

R1 Vi 1 1E6

EVo Vo 0 TVo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.AC DEC 20 1Hz 10kHz

.PROBE

.END

Объединив три предшествующих фрагмента, создайте входной файл и проведите анализ. Затем получите график

20·(V(Vi)/V(Vo)).

График показывает разомкнутый коэффициент усиления цепи обратной связи. Не забудьте, что условием поддержания колебаний является | A β|=1. На логарифмическом графике значение соответствует не единице, а нулю. Убедитесь, что при f =100 Гц график дает почти нулевое значение (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика для схемы на рис. 8.8

Теперь получите график сдвига фазы

VP(Vi) – VP(Vo),

который дает частотную зависимость разности фаз сигнала обратной связи и выходного сигнала. Убедитесь, что при f =100 Гц график показывает угол 187°. Так как анализ при разомкнутой петле обратной связи не учитывает инверсии фаз на входе, общий сдвиг фазы при замкнутой петле фактически равен 367°. Это близко к желательному углу 360°, который подразумевал бы, что усилитель не отличает входной сигнал от сигнала обратной связи, и, таким образом, колебания устойчивы. На рис. 8.10 показан график фазового сдвига.

Рис. 8.10. Фазочастотная характеристика для схемы на рис. 8.8

Другой примера генератора приведен на рис. 8.11, где показан генератор на базе моста Вина. Мост содержит последовательно включенные элементы R 1, и С 1и параллельные элементы R 2и С 2. Анализ этой схемы показывает, что

Рис. 8.11. Генератор на базе моста Вина

Выберем f 0=25 кГц, С 1= С 2=1 нФ и R g =10 кОм. При этом R = R 1 =R 2 = 6366 Ом. В этой схеме необходимо обеспечить условие поддержания колебаний | A β|=1. Анализ также показывает, что при резонансе β= 1/3II, и необходим коэффициент усиления, равный 3. Так как коэффициент усиления неинвертирующего ОУ равен

то для сопротивления обратной связи получим R f =20 кОм.

Перерисуем теперь схему (рис. 8.11), чтобы показать параметры компонентов, разрыв для включения схемы измерения и соответствующую разметку узлов (рис. 8.12). Подсхема для генератора становится при этом частью входного файла. Весь входной файл:

Wien-Bridge Oscillator with Test Circuit

.subckt wien I i

x 2 4 1 iop

vi 1 0 0V

rg 1 2 10k

rf 2 1 20k

r1 3 4 6366

r2 4 0 6366

c1 i 3 1nF

c2 4 0 1nF

.ends

.subckt iop m p vo

rin m p 1E6

e vo 0 p m 2E5

.ends

X Tvi Tvo wien V Tvo Tvi AC 1

Evi Vi 0 0 Tvi 1

R1 Vi 0 1E6

Evo Vo 0 Tvo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.AC DEC 40 1kHz 1MegHz

.PROBE

.END

Рис. 8.12. Генератор на базе моста Вина с разомкнутой обратной связью

Проведите анализ и получите график

20·(V(Vi)/V(Vo)).

Убедитесь, что при f =25,12 кГц, коэффициент усиления достигает максимума. Он соответствует коэффициенту усиления, равному единице, так как график задан в децибелах. Затем выберем Plot и получим график сдвига фазы в цепи обратной связи:

VP(Vi) – VP(Vo),

который сообщит нам, производит ли фазосмещающая схема сдвиг фазы, необходимый для установления колебаний. Убедитесь, что при f =25,3 кГц сдвиг фазы равен -180°. Эти графики приведены на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики для схемы на рис. 8.12

Предположим теперь, что мы задали параметры элементов в схеме генератора на базе моста Вина, но не знаем частоту колебаний. Нам необходимо определить, возникнут ли колебания, и какова будет их частота. Мы рассматриваем схему той же структуры, что и в предыдущем примере, параметры элементов приведены на рис. 8.14. Входной файл:

Another Wien-Bridge Example

.subckt wien i i

vi 1a 0 0V

x 1 i 2 iop

r1 1 2 20k

r2 1 1a 20k

r3 1 0 1.5915k

r4 3 i 1.5915k

c1 2 3 0.01uF

c2 i 0 0.01uF

.ends

.subckt iop m p vo

rin m p 1E6

e vo 0 p m 2Е5

.ends

X TVi TVo wien

V TVo TVi AC 1

EVi Vi 0 0 TVi 1

R1 Vi 0 1E6

EVo Vo 0 TVo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.AC DEC 2 0 100Hz 0.1MegHz

.PROBE